kjemiske forbindelser mellom thallium og de øvrige grunnstoffer. I sine forbindelser har thallium oksidasjonstall +I eller +III. De enverdige er de bestandigste. Treverdige thalliumforbindelser har mange likhetspunkter med de tilsvarende aluminiumforbindelser. Ettersom treverdig thallium lar seg lett redusere til enverdig, virker treverdige thalliumforbindelser oksiderende. Thallium(I)hydroksidet er sterkt basisk i vandig løsning, halogenforbindelsene er tungt løselige. I mange sammenhenger viser thallium likhetstrekk med alkalimetallene og visse andre med sølv.
Thalliumforbindelser er generelt giftige, men har tidligere vært brukt innen medisin og kosmetikk. Visse thalliumholdige legeringer har funnet anvendelse pga. spesielle egenskaper, som korrosjonsbestandighet, lav friksjon eller lavt smeltepunkt (–5 °C for eutektisk Tl–Hg-legering.) Man antar at rundt halvparten av alt bearbeidet thallium foreligger i forskningslaboratorier, en vesentlig del i forbindelse med katalysatorer for organisk syntese. Thalliumkuprater er blant superlederne med høyest kritisk temperatur. Thalliumjodid brukes i scintillasjonsdetektorer.